半导体后端工艺 第八篇：探索不同晶圆级封装的工艺流程

【导读】在本系列第七篇文章中，介绍了晶圆级封装的基本流程。本篇文章将侧重介绍不同晶圆级封装方法所涉及的各项工艺。晶圆级封装可分为扇入型晶圆级芯片封装(Fan-In WLCSP)、扇出型晶圆级芯片封装(Fan-Out WLCSP)、重新分配层(RDL)封装、倒片(Flip Chip)封装、及硅通孔(TSV)封装。此外，本文还将介绍应用于这些晶圆级封装的各项工艺，包括光刻(Photolithography)工艺、溅射(Sputtering)工艺、电镀(Electroplating)工艺和湿法(Wet)工艺。

在本系列第七篇文章中，介绍了晶圆级封装的基本流程。本篇文章将侧重介绍不同晶圆级封装方法所涉及的各项工艺。晶圆级封装可分为扇入型晶圆级芯片封装(Fan-In WLCSP)、扇出型晶圆级芯片封装(Fan-Out WLCSP)、重新分配层(RDL)封装、倒片(Flip Chip)封装、及硅通孔(TSV)封装。此外，本文还将介绍应用于这些晶圆级封装的各项工艺，包括光刻(Photolithography)工艺、溅射(Sputtering)工艺、电镀(Electroplating)工艺和湿法(Wet)工艺。

扇入型晶圆级芯片封装工艺

在扇入型晶圆级芯片封装中，合格晶圆首先将进入封装生产线。通过溅射工艺在晶圆表面制备一层金属膜，并在金属膜上涂覆一层较厚的光刻胶，光刻胶厚度需超过用于封装的金属引线。通过光刻工艺在光刻胶上绘制电路图案，再利用铜电镀工艺在曝光区域形成金属引线。随后去除光刻胶，并利用化学刻蚀（Chemical Etching）工艺去除多余的薄金属膜，然后在晶圆表面制备绝缘层（Dielectric Layer），并利用光刻工艺去除锡球（Solder Ball）放置区域的绝缘层。因此，绝缘层也被称为“阻焊层”（Solder Resist），它是晶圆级芯片封装中的钝化层（Passivation Layer），即最后的保护层，用于区分锡球放置区域。如没有钝化层，采用回流焊（Reflow Soldering）等工艺时，附着在金属层上的锡球会持续融化，无法保持球状。

利用光刻工艺在绝缘层上绘制电路图案后，再通过植球工艺使锡球附着于绝缘层。植球安装完成后，封装流程也随之结束。对封装完成的整片晶圆进行切割后，即可获得多个独立的扇入型晶圆级芯片封装体。

锡球植球工艺

图1：晶圆级回流焊设备平面图（? HANOL出版社）

在植球过程中，需要将锡球附着到晶圆级芯片封装体上。传统封装工艺与晶圆级封装工艺的关键区别在于，前者将锡球放置在基板上，而后者将锡球放置在晶圆顶部。因此，除了用于涂敷助焊剂和植球的模板需在尺寸上与晶圆保持一致之外，助焊剂涂敷、植球工艺、回流焊工艺都遵循相同步骤。

此外，回流焊设备采用基于发热板的回流焊方式，如图1所示，而不是涉及运送器的对流热风回流焊方式（Convection Reflow）。晶圆级回流焊设备在不同的加工阶段会对晶圆施加不同温度，以便保持回流焊操作所需温度条件，确保封装工艺流程能够顺利进行。

倒片封装凸点工艺

倒片封装体中凸点（Bump）是基于晶圆级工艺而完成的，而后续工序则与传统封装工艺相同。

图2：倒片封装工艺概览

图3：倒片封装凸点制作工序

由于要确保凸点拥有足够的高度，因此需选用能在晶圆上厚涂的光刻胶。铜柱凸块（CPB）1需要先后经历铜电镀和焊料电镀两道工序后形成，所使用的焊料通常为不含铅的锡银合金。电镀完成后，光刻胶随即被去除，并采用金属刻蚀工艺去除溅射而成的凸点下金属层（UBM）2，随后通过晶圆级回流焊设备将这些凸点制成球形。这里采用的焊接凸点回流焊工艺可以最大限度减少各凸点的高度差，降低焊接凸点表面的粗糙度，同时去除焊料中自带的氧化物，进而保障在倒片键合过程中增加键合强度。

1铜柱凸块（CPB）：用于倒片键合的凸点结构，旨在减少凸点间距。铜作为材料，被用于制作铜柱来承上方凸点。

2凸点下金属层（UBM）：在倒片凸点下方形成的金属层。

重新分配层封装工艺

图4：重新分配层封装工艺概览

图5：重新分配层形成工序

利用重新分配层封装工艺，在晶圆原本焊盘上形成新焊盘，以承载额外的金属引线，此种工艺主要用于芯片堆叠。因此，如图4所示，重新分配层工序之后的封装工序遵循传统封装工序。在芯片堆叠过程中，每个单独芯片都需重复进行芯片贴装和引线键合这两道工序。

在重新分配层工艺中，首先通过溅射工艺创建一层金属薄膜，之后在金属薄膜上涂覆厚层光刻胶。随后利用光刻工艺绘制电路图案，在电路图案的曝光区域电镀金层，以形成金属引线。由于重新分配工艺本身就是重建焊盘的工艺，因此确保引线键合强度是十分重要的。这也正是被广泛用于引线键合的材料---金，被用于电镀的原因。

扇出型晶圆级芯片封装工艺

在扇出型晶圆级芯片封装工艺中，首先需要在等同于晶圆形状的载片上贴附一层薄膜。切割晶圆后，再按照一定间距将优质芯片贴在薄膜上，接下来对芯片间隔区域进行模塑，以形成新形状。晶圆模塑完成后，载片和薄膜将被移除。随后在新形成的晶圆上，利用晶圆设备创建金属导线，并附着锡球以便封装。最后，将晶圆切割成多个独立封装体。

晶圆模塑

制作扇出型晶圆级芯片封装体时，晶圆模塑是一项重要工序。对于扇出型晶圆级芯片封装件而言，晶圆塑膜需先在芯片上贴附同样形状的晶圆载片，而后将其放置到模塑框架中。将液状、粉状或颗粒状的环氧树脂模塑料（EMC）3加入到模塑框架内，对其进行加压和加热处理来塑膜成型。晶圆模塑不仅是扇出型晶圆级芯片封装工艺的重要工序，对于利用硅通孔（TSV）工艺制作已知良好堆叠芯片（KGSD）4也是无可或缺的工序。本篇文章的后续内容，将对此展开更详细的探讨。

3环氧树脂模塑料（EMC）：一种基于环氧树脂或热固性聚合物的散热材料。这种材料可用于密封半导体芯片，以避免芯片受到外部环境因素影响，如高温、潮湿、震动等。

4已知良好堆叠芯片（KGSD）：经过测试确认质量良好的由堆叠芯片组成的产品，最好的例子就是 HBM。

硅通孔封装工艺

图6展示了采用中通孔（Via-middle）5方法的硅通孔封装工艺步骤。首先在晶圆制造过程中形成通孔。随后在封装过程中，于晶圆正面形成焊接凸点。之后将晶圆贴附在晶圆载片上并进行背面研磨，在晶圆背面形成凸点后，将晶圆切割成独立芯片单元，并进行堆叠。

接下来，将简单概括中通孔的基本工序。首先在前道工序（Front-end of Line）中，在晶圆上制作晶体管，如互补金属氧化物半导体等。随后使用硬掩模（Hard Mask）6在硅通孔形成区域绘制电路图案。之后利用干刻蚀（Dry Etching）工艺去除未覆盖硬掩膜的区域，形成深槽。再利用化学气相沉积工艺（Chemical Vapor Deposition）制备绝缘膜，如氧化物等。这层绝缘膜将用于隔绝填入槽中的铜等金属物质，防止硅片被金属物质污染。此外绝缘层上还将制备一层金属薄层作为屏障。

此金属薄层将被用于电镀铜层。电镀完成后，采用化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing）技术使晶圆表面保持平滑，同时清除其表面铜基材，确保铜基材只留在沟槽中。然后通过后道工序（Back-end of Line）完成晶圆制造。

5中通孔（Via Middle）：一种硅通孔工艺方法，在互补金属氧化物半导体形成后及金属层形成之前开展的工序。

6硬掩膜（Hard Mask）：一种由硬质材料而非软质材料制成的薄膜，用于绘制更为精细的电路图案。硬掩膜本身对光线并不敏感，所以需使用光刻胶才能进一步绘制电路图案，以最终实施刻蚀工艺。

图6：硅通孔封装工序（? HANOL出版社）

使用硅通孔技术制造芯片堆叠封装体时，一般可采用两种类型的封装方法。第一种方法是利用3D芯片堆叠技术的基板封装。第二种方法则需创建KGSD，然后基于KGSD来制作2.5D或3D封装。下文将详细介绍如何创建KGSD，以及如何基于KGSD来制作2.5D封装的过程。

作为利用硅通孔技术制作而成的芯片堆叠封装体，制作KGSD必需经历额外封装工艺，如2.5D封装、3D封装以及扇出型晶圆级芯片封装等，高带宽存储器（HBM）就是KGSD产品的一个典型例子。由于KGSD需经历额外封装工艺，其作为连接引脚的焊接凸点需要比传统锡球更加精细。因此3D封装体中芯片堆叠在基板上，而KGSD中的芯片则堆叠于晶圆上方，晶圆也可以视为KGSD的最底层芯片。就HBM而言，位于最底层的芯片被称为基础芯片或基础晶圆，而位于其上方的芯片则被称为核心芯片。

此方法工序如下：首先，通过倒片工艺在基础晶圆和核心晶圆的正面制作凸点。在制作2.5D封装体时，基底晶圆需要排列凸点，使之能够附着到中介层（Interposer）；相反，核心晶圆上的凸点布局则是有助于晶圆正面的芯片堆叠。在晶圆正面形成凸点后，应减薄晶圆，同时也需在晶圆背面形成凸点。然而，正如前文在介绍背面研磨工艺时所述，需注意在减薄过程中导致晶圆弯曲。在传统封装工艺中，进行减薄之前，可将晶圆贴附到贴片环架上，以防止晶圆弯曲，但在硅通孔封装工艺中，由于凸点形成于晶圆背面，所以这种保护方法并不适用。为解决此问题，晶圆承载系统（Wafer Support System）应运而生。利用晶圆承载系统，可借助临时粘合剂将带有凸点的晶圆正面贴附于晶圆载片上，同时对晶圆背面进行减薄处理。此时晶圆贴附于晶圆载片上，即使经过减薄也不会发生弯曲。

此外，因晶圆载片与晶圆形式相同，因此也可使用晶圆设备对其进行加工。基于此原理，可在核心晶圆的背面制作凸点，当核心晶圆正面及背面上的凸点均制作完成时，便可对载片进行脱粘。随后将晶圆贴附于贴片环架中，并参照传统封装工艺，对晶圆进行切割。基础晶圆始终贴附于晶圆载片上，从核心晶圆上切割下来的芯片则堆叠于基础晶圆之上。芯片堆叠完成后，再对基础晶圆进行模塑，而后进行晶圆载片脱粘。至此，基础晶圆就变成了堆叠有核心晶圆的模制晶圆。随后对晶圆进行研磨，使其厚度达到制作2.5D封装体所需标准，然后再将其切割成独立的芯片单元，以制作KGSD。HBM成品包装后将运送至制作2.5D封装体的客户手中。

晶圆承载系统工艺

晶圆承载系统是指针对晶圆背面减薄进行进一步加工的系统，该工艺一般在背面研磨前使用。晶圆承载系统工序涉及两个步骤：首先是载片键合，需将被用于硅通孔封装的晶圆贴附于载片上；其次是载片脱粘，即在如晶圆背面凸点制作等流程完工后，将载片分离。

图7展示了晶圆承载系统的工艺步骤。首先在晶圆表面涂覆临时粘合剂，使其贴附于载片上；待晶圆背面的加工工序完成后，即可对载片进行脱粘，并去除残留粘合剂，以确保晶圆表面清洁。

图7：晶圆承载系统工序

进行载片键合时，需要注意几个因素：首先，载片键合后的晶圆整体厚度应均匀一致；其次，键合面不应存在空隙，两片晶圆对齐应准确无误；此外还应确保晶圆边缘不受到粘合剂污染，且在处理过程中应尽量避免晶圆发生弯曲。在载片脱粘过程中，还应注意：避免晶圆脱离载片后发生损坏，如边缘剥落（Chipping）7或出现裂纹等；避免粘合剂残留；避免凸点变形。

在基于晶圆承载系统的封装工艺中，载片脱粘是一个相对复杂且重要的工序。因此，业界已经提出并研发多种脱粘方法，并针对每一种脱粘方法开发出相应的临时粘合剂。典型的脱粘方法包括热技术、激光烧蚀（Laser Ablation）后剥离、化学溶解、机器剥离后化学清洗等。

7边缘剥落（Chipping）：芯片或晶圆边角损坏。

晶圆边缘切筋工艺

图8：未切筋（上图）与切筋后（下图）的晶圆边缘对比图

如图8上半部分红圈内区域所示，将采用硅通孔工艺封装的晶圆键合到晶圆载片上，经过背面研磨后，其边缘会变得较为尖锐。此种状态下，晶圆后续还将经历光刻、金属薄膜制备、电镀以在背面制作凸点等工序，这些工序会增加晶圆边缘剥落的风险。边缘裂纹可能会延伸至晶圆内部，进而导致后续工序无法进行，最终造成严重的良品损失。为避免此问题，对于采用硅通孔工艺封装的晶圆，在其进行载片键合前，应先对晶圆正面边缘进行切筋并去除修剪部分。如图8下半部分区域所示，将切筋后的晶圆贴附于晶圆载片并对其进行背面研磨时，锋利而凸起的边缘已消失。因此，在后续工序中，晶圆边缘剥落的风险也被消除。在切筋过程中，旋转的晶圆切割刀片穿过晶圆边缘，将指定的边缘区域切除。

堆叠工艺

硅通孔封装工艺中，在晶圆正面和背面形成的凸点均用于键合，以便堆叠。同样地，在倒片键合时，批量回流焊（Mass Reflow）工艺8和热压缩（Thermocompression）工艺9也用于键合。根据堆叠方式的不同，堆叠工艺可分为芯片与芯片（Chip-to-Chip）堆叠、芯片与晶圆（Chip-to-Wafer）堆叠、晶圆与晶圆（Wafer-to-Wafer）堆叠。

使用硅通孔工艺堆叠芯片时，需使用微型凸点。因此，凸点之间的间距很小，堆叠芯片之间的间距也很小，这就是以可靠性著称的热压缩工艺因被广泛使用的原因。然而，热压缩工艺也存在缺点，那就是耗时长，生产率底，因为在键合过程中必然会耗时去加热加压。因此热压缩工艺逐渐被批量回流焊工艺取代的趋势日益明显。

8批量回流焊工艺（Mass Reflow）：将多个器件按陈列连接到基板上，然后在烤箱等中一起加热，以熔化焊料使之形成互联的工艺。因一次性处理多个器件，所以在这个术语中使用了“批量”这一词。

9热压缩工艺（Thermocompression）：对物体进行加热和加压处理，使其进行键合的一种工艺。

探索晶圆封装工艺的其它范畴

在此系列最近两篇文章对传统封装工艺和晶圆级封装工艺进行探索后，本系列下一篇文章将深入探究构成这些封装体的各种组件原材料。值得关注的是，下篇文章还将介绍这些小型材料的独有特性，并分析它们对半导体产品性能的影响。

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